砼框架結(jié)構(gòu)延性設計探討

張 志 俊

(黃岡職業(yè)技術(shù)學院，湖北 黃岡 438002)

在現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)體系中，砼框架結(jié)構(gòu)是常用的房屋結(jié)構(gòu)體系。砼框架結(jié)構(gòu)延性設計是砼框架結(jié)構(gòu)塑性設計方法和抗震設計理論發(fā)展的基礎。砼框架結(jié)構(gòu)的延性是指砼框架結(jié)構(gòu)進入破壞階段后, 在承載能力沒有顯著下降的情況下承受塑性變形的能力。也就是說, 延性反映的是砼框架結(jié)構(gòu)后期的塑性變形能力, 即是從鋼筋開始屈服進入破壞階段直至最大承載力時整個過程結(jié)構(gòu)的塑性變形能力。砼框架結(jié)構(gòu)延性的發(fā)揮是以結(jié)構(gòu)在承載力極限狀態(tài)下出現(xiàn)梁端塑性鉸產(chǎn)生顯著的塑性變形為標志[1]?；炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞可分為脆性破壞(受壓破壞)和延性破壞(受拉破壞)兩種，其中脆性破壞(受壓破壞)是突然性的，在破壞前不能給人以警示，危害非常大，在設計上一定要避免出現(xiàn)此種情況；而延性破壞(受拉破壞)是指構(gòu)件承載力沒有顯著降低的情況下，經(jīng)歷很大的非線性變形后所發(fā)生的破壞，在破壞前能給人以警示，是規(guī)范規(guī)定的設計破壞類型，在砼框架結(jié)構(gòu)設計中是通過砼框架結(jié)構(gòu)延性設計確保砼框架結(jié)構(gòu)超載時實現(xiàn)延性(受拉破壞)。

1 砼框架結(jié)構(gòu)延性設計的重要性

目前，我國抗震設計的基本原則是：“小震不壞，中震可修，大震不倒?！彪m然《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)引入了抗震性能化設計，抗震性能化設計是我國抗震設計發(fā)展趨勢，但是目前在實際工程中對砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計大部分工程仍然采用與我國目前經(jīng)濟相適應的低承載力高延性設計。實現(xiàn)大震不壞的抗震設防目標需要砼框架結(jié)構(gòu)在大震作用下仍然處于彈性狀態(tài)，由于砼框架結(jié)構(gòu)在設計使用期限內(nèi)大震作用不一定出現(xiàn)，高承載力低延性的抗震設計會使砼框架結(jié)構(gòu)造價高，與我國目前經(jīng)濟水平不相適應，且砼框架結(jié)構(gòu)設計中一般未考慮出現(xiàn)的非預計荷載可以通過砼框架結(jié)構(gòu)延性設計確保砼框架結(jié)構(gòu)超載時實現(xiàn)延性破壞，因此目前進行砼框架結(jié)構(gòu)延性設計意義仍然十分重大。

(1)對于砼框架結(jié)構(gòu)設計中一般未考慮非預計荷載，例如偶然超載，溫度升高或基礎沉降引起附加內(nèi)力等情況下，有較強的承受和抗衡能力，延性材料的后期變形能力可作為出現(xiàn)非預計荷載情況的安全儲備。

(2)有利于實現(xiàn)砼框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力充分重分布。砼框架結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與截面的抗彎剛度有關(guān)，若把砼框架結(jié)構(gòu)設計成為延性結(jié)構(gòu)，則隨著荷載的增加，將在砼框架結(jié)構(gòu)梁端首先出現(xiàn)裂縫，引起梁各截面之間相對剛度發(fā)生變化,因而導致砼框架梁中內(nèi)力重分布。在砼框架結(jié)構(gòu)梁端受拉鋼筋屈服后,表現(xiàn)在砼框架結(jié)構(gòu)梁端出現(xiàn)塑性鉸,由于砼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸出現(xiàn),改變了砼框架結(jié)構(gòu)計算簡圖,砼框架結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著的內(nèi)力重分布,得到有利的彎矩分布，使配筋合理，節(jié)約材料，而且便于砼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點施工。

(3)有利于增強砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力,結(jié)構(gòu)的塑性變形能力越大,結(jié)構(gòu)的剛度就越小,受到的地震作用就越小,對于有抗震設防要求的框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的延性有利于吸收和耗散地震能量,減少地震作用效應。通過在小地震作用下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時延性框架設計,減少中、大地震對砼框架結(jié)構(gòu)作用效應,增強砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,滿足砼框架結(jié)構(gòu)大震不倒的抗震設防要求。

2 砼框架結(jié)構(gòu)延性設計應滿足的條件

(1)要實現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設計，就必須保證梁柱構(gòu)件有足夠的延性。砼梁剪切破壞是脆性破壞，砼柱小偏心受壓破壞是脆性破壞，脆性破壞中延性很小，因此砼梁要避免出現(xiàn)剪切破壞，砼柱要避免出現(xiàn)小偏心受壓破壞。

(2)要實現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設計，就必須保證塑性鉸出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)梁端。因為框架結(jié)構(gòu)梁端出現(xiàn)塑性鉸，只會改變框架結(jié)構(gòu)計算簡圖而不會形成機構(gòu)。

(3)要實現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設計，就必須保證塑性鉸不出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)的柱中。因為框架結(jié)構(gòu)的柱中出現(xiàn)塑性鉸容易形成機構(gòu)，如果在同一層柱上下兩端出現(xiàn)塑性鉸，則該層變形迅速加大，成為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而倒塌。

(4)要實現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設計，就必須保證節(jié)點區(qū)不出現(xiàn)剪切破壞，支座連接和錨固不出現(xiàn)破壞。因為梁柱承載力和變形能力得以充分發(fā)揮是以節(jié)點區(qū)不出現(xiàn)剪切破壞，支座連接和錨固不出現(xiàn)破壞為前提。

3 砼框架結(jié)構(gòu)延性設計方法

3.1 建立梁式側(cè)移破壞機構(gòu)來實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的延性

在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設計中，由于砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設計對延性要求不高，是運用彎矩調(diào)幅法去實現(xiàn)砼框架結(jié)構(gòu)延性設計。彎矩調(diào)幅法是對在彈性分析法中框架承受豎向荷載作用產(chǎn)生的彎矩進行調(diào)整, 考慮到框架梁支座截面出現(xiàn)塑性鉸, 將框架梁支座截面負彎矩調(diào)整降低，再與在彈性分析法中框架承受水平荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力進行組合，得最不利內(nèi)力為設計內(nèi)力的一種考慮塑性內(nèi)力重分布的計算方法。彎矩調(diào)幅法通過降低框架承受豎向荷載作用時框架梁產(chǎn)生的支座截面負彎矩，實現(xiàn)“強節(jié)弱桿、強剪弱彎、強壓弱拉、強柱弱梁”[2]四強四弱設計原則，滿足砼框架結(jié)構(gòu)延性設計條件，使砼框架結(jié)構(gòu)在超載時出現(xiàn)梁端塑性鉸實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)延性設計。

在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計中，運用兩階段設計法通過采取抗震措施去實現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設計。在第一階段設計中在眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時通過抗震措施中內(nèi)力調(diào)整措施的采取來設計延性框架,不同抗震等級框架延性設計要求不同,抗震措施中內(nèi)力增大系數(shù)不同。兩階段設計法通過第一階段設計中增大不同抗震等級框架在眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時砼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件各控制截面內(nèi)力,實現(xiàn)“強節(jié)弱桿、強剪弱彎、強壓弱拉、強柱弱梁”四強四弱設計原則，滿足砼框架結(jié)構(gòu)延性設計條件，使其在遭受本地區(qū)規(guī)定的設防烈度的地震影響時,砼框架結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài),梁端形成塑性鉸,滿足第二水準基本烈度的設防要求,做到中震可修;在遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震影響時,滿足第三水準——罕遇烈度設計要求(不發(fā)生倒塌),砼框架結(jié)構(gòu)在遭受中、大地震影響破壞時形成梁式側(cè)移機構(gòu)。

3.2 提高構(gòu)件截面延性,通過增強梁鉸機制下塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力來實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的延性

在截面設計過程中,應根據(jù)結(jié)構(gòu)對截面延性的不同要求采取構(gòu)造措施增強塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力。

在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設計中，由于在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設計中對延性設計要求不高，增強結(jié)構(gòu)延性的主要措施有:可選用塑性變形大的鋼筋和砼為材料;可限制縱向受拉鋼筋配筋率,規(guī)定受壓鋼筋受拉鋼筋的比例去控制受壓區(qū)高度，增強框架梁支座截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力;可在易出現(xiàn)塑性鉸的梁端和柱端加密箍筋去增強砼塑性變形能力，在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設計中構(gòu)造措施的采取應符合砼框架結(jié)構(gòu)非抗震構(gòu)造要求。

在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計中，由于砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計中對不同抗震等級框架延性設計要求不同, 不同抗震等級框架抗震構(gòu)造措施的采取也不同，增強結(jié)構(gòu)延性的主要措施有:在梁柱端部設置箍筋加密區(qū)避免在地震作用下梁柱端部出現(xiàn)剪切破壞，控制柱軸壓比避免在地震作用下砼框架柱出現(xiàn)小偏心受壓破壞，鋼筋的錨固與搭接，對不同抗震等級框架采用不同要求，對不同抗震等級框架抗震構(gòu)造措施的采取應符合《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)要求。

總之，砼框架結(jié)構(gòu)延性設計是砼框架結(jié)構(gòu)超載時實現(xiàn)延性破壞(受拉破壞)的保證。在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設計中，是運用彎矩調(diào)幅法去實現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設計，使砼框架結(jié)構(gòu)在正常設計、正常施工和正常使用過程中滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。即在承載能力極限狀態(tài)下砼框架結(jié)構(gòu)梁端出現(xiàn)塑性鉸且承載能力不降低，在正常使用極限狀態(tài)下砼框架結(jié)構(gòu)滿足設計的變形要求和裂縫寬度要求，在超載作用下，砼框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)延性破壞(受拉破壞)。砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計中，是運用兩階段設計法通過采取抗震措施去實現(xiàn)砼框架結(jié)構(gòu)延性設計。在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計二階段設計方法中,對于第一階段眾值烈度下延性框架設計很重要,眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),應通過采取抗震措施，通過增大眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時設計內(nèi)力來設計延性框架，建立梁式側(cè)移機構(gòu)的砼框架結(jié)構(gòu)抗震機制,使其在遭受本地區(qū)規(guī)定的設防烈度的地震影響時,砼框架結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài),梁端形成塑性鉸,滿足第二水準的設防要求,做到中震可修;在遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震影響時,滿足第三水準罕遇烈度設計要求(不發(fā)生倒塌),砼框架結(jié)構(gòu)破壞時形成梁式側(cè)移機構(gòu)，確保砼框架結(jié)構(gòu)遭受中大地震影響破壞時實現(xiàn)延性破壞(受拉破壞)。

參考文獻：

[1]張志俊.砼框架結(jié)構(gòu)延性的探討[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學院學報，2005，(2)：98.

[2]張志俊.論砼框架結(jié)構(gòu)抗震設計[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學院學報，2011，(1)：102.